承压设备应力分析大作业汇总Word下载.docx
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3罐体主要部件厚度的初步计算4
3.1筒体厚度4
3.2封头厚度4
3.3开孔接管补强结构尺寸的初步确定4
4分析与计算5
4.1分析方法5
4.2力学计算5
4.2.1力学模型5
4.2.2边界条件7
4.2.3设计工况计算8
4.2.4应力线性化8
5应力强度评定10
6疲劳强度评定12
7结论13
8技术要求14
附录1:
模型设计工况下应力线性化数据15
1设计依据
(1)TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》
(2)JB4732-95《钢制压力容器——分析设计标准》(2005年确认版)
(3)承压设备课程大作业提供的容器参数。
2设计参数与载荷分析
2.1用户委托数据(表1)
设计参数和条件如表1所示。
表1容器设计参数与条件表
设计压力/MPa
1.0
操作压力/MPa
0.2~0.8
设计温度/℃
250
试验温度/℃
20
腐蚀裕量/mm
2
接管N1材料
16MnⅢ
筒体直径/mm
φ2000
封头类型
标准椭圆形
年交变次数(正常工作)/次
365×
2=730
设计寿命
15年
总循环次数/次
730×
15=10950
2.2计算条件
2.2.1设计工况下的载荷计算条件(表2)
表2设计工况下的载荷计算条件表
设计工况
温度/℃
压力/MPa
2.2.2设计工况下的材料性能(表3)
表3设计工况下材料性能表(泊松比取0.3)
筒体Q345R
(6~16mm)
Sm1/MPa
167
E/MPa
1.88×
105
封头Q345R
Sm2/MPa
接管
16MnⅢ锻件
Sm3/MPa
2.2.3正常操作工况疲劳计算条件(表4)
表4正常操作工况疲劳计算条件表
总循环次数
变压工况
10950
设备正常工作时加压、卸压,年交变工况为730次,设计寿命为15年,总循环次数为10950。
3罐体主要部件厚度的初步计算
采用JB4732-95(2005年确认版)的有关计算公式求得各部件厚度。
因物料密度较小,不考虑介质静压。
取钢板负偏差C1=0.3。
.
3.1筒体厚度
计算厚度:
δ=
=
=6.01mm
式中:
K为载荷组合系数取1.0,pc为筒体计算压力取1.0MPa,Sm1为Q345R(小于16mm)设计应力强度取167MPa。
设计厚度:
δd=δ+C2=6.01+2=8.01mm
名义厚度:
取δn=10mm。
要求筒体成形后最小厚度为9.7mm,则实际建模壁厚为7.7mm。
3.2封头厚度
标准椭圆形封头的计算厚度,按JB4732-95《钢制压力容器——分析设计标准》(2005年确认版)图7-1中参数为r/
;
K为载荷组合系数取1.0;
pc为封头计算压力取1.0MPa;
Sm1为Q345R(6~16mm)设计应力强度取167MPa。
δd=δ+C2=8.64+2=10.64mm
取δn=6mm
要求封头成形后最小厚度为10.56mm,则实际建模壁厚为8.6mm。
3.3开孔接管补强结构尺寸的初步确定
设计条件中,压力变化幅度大、交变次数多,结构尺寸主要由疲劳载荷确定。
为降低制造成本,本设计采用厚壁管来提高设备的疲劳寿命。
表5列出各开孔接管的尺寸参数。
表5开孔厚壁接管补强结构尺寸(mm)
序号
接管位置
接管内直径
厚壁管
外径×
壁厚
伸出
长度
角焊缝高度
数量
接管N1
上封头中心径向开孔
φ1100
φ1180×
40
200
25
1
4分析与计算
4.1分析方法
采用ANSYS15软件,使用N-mm-Pa单位制。
完整的结构分析应考虑以下载荷:
①压力作用,液柱静压力作用超过设计压力的5%时应计及液柱静压的作用;
②设备的自重作用,还有其他载荷。
力学模型:
含筒体、封头、接管,使用solid45单元。
主要考核上封头和筒体的连接处以及封头上接管。
对于静强度分析,查看壳体所有结构不连续部位的应力情况,得出壳体中性面和内、外表面的应力强度值,依据强度判定准则,进行应力分类校核。
对于疲劳分析,考虑在变压情况下疲劳循环设计操作次数10950次,根据工作载荷和工作温度循环下由模型计算的Sv值,查疲劳曲线,得到工作许用循环操作次数,将其与设计循环次数进行比较,从而判断该容器能否满足疲劳强度要求。
完整的塔分析应考虑以下载荷:
①压力载荷,液柱静压力作用超过设计压力的5%时应计及液柱静压的作用;
②罐的自重载荷;
③接管引起的载荷与偏心载荷。
因为外部管线固定良好且对接管的作用力相对于罐内壁所受内压来说很小,所以本项目计算时不考虑外部管线对接管的附加作用力以及偏心载荷。
基于以上分析,本设备整体模型主要计算以下工况:
设计工况+自重
建模时,筒体、封头和接管等受压元件均采用有效厚度或成形后最小厚度减腐蚀裕量。
例如,筒体内径2000mm,成形后最小厚度为7.7mm,则分析模型中的接管内径为1100mm、外径为1180mm。
4.2力学计算
4.2.1力学模型
力学整体模型与传热整体模型相同,如图1所示,包括部分筒体、上椭圆形封头、开孔接管。
有限元建模时,建立四分之一整体模型,采用实体单元solid45,网格划分如图2~3,模型总共划分了68230个单元,81371个节点。
图1整体模型图
图2网格总体划分图
图3局部网格划分图
4.2.2边界条件
图4中,整体施加重力加速度,所有与操作介质接触面施加内压力,接管端面施加等效拉应力,筒体底部约束轴向位移。
接管断面施加等效拉应力
内壁面与气体接触的地方施加压力
约束轴向位移
施加对称边界条件
图4力学模型及边界条件设置
4.2.3设计工况计算
设计工况:
p=1.0MPa,t=250℃,上封头接管等效拉应力
=45.5MPa,不施加重力加速度。
设计工况下模型的第三强度当量应力分布云图分别如图5-7所示,该工况下最大应力强度为371MPa。
图5设计工况下,模型外表面第三强度当量应力分布云图(单位:
103MPa)
图6设计工况下,模型内表面第三强度当量应力分布云图(单位:
图7设计工况下,模型接管焊缝处第三强度当量应力分布云图(单位:
4.2.4应力线性化
在设计工况下,取5条路径对模型进行应力评定,选取的路径如图8所示,图8中标示的路径1~5应力线性化数据列入附录1。
路径1
路径5
路径4
路径3
路径2
图8模型应力分析路径
5应力强度评定
本报告强度评定方法依据JB4732-95(2005确认版)进行,应力线性化路径的选取原则是:
(1)通过应力强度最大节点,并沿壁厚方向的最短距离设定线性化路径;
(2)对于相对高应力强度区沿壁厚方向设定路径。
在应力校核中,对于二分之一模型,壳体、封头和接管设计应力强度根据各条路径的位置不同按表3取值。
位于焊缝连接处的路径,其应力校核中的材料设计应力强度按两种材料中的强度较低的材料取值。
(3)模型进行应力强度评定时,对设计工况进行评定(K=1,路径线性化数据见附录1)。
(1)路径1的应力强度评定
筒体的材料为Q345R,设计工况下的设计应力强度为Sm=196MPa。
评定结果列于表6。
表6路径1的应力强度评定结果
存在的应力种类及组合
整体模型上应力强度
/MPa
设计应力强度的许用极限
评定结果
强度限制
许可值
Pm
80.72
KSm
196
合格
注:
在计算包括二次应力强度的组合应力强度时,应选用工作载荷进行计算。
本报告中均选用设计载
荷进行计算,这对于分析结果是偏于安全的。
(2)路径2~4的应力强度评定
封头的材料为Q345R,设计工况下的设计应力强度为Sm=196MPa。
封头上接管的材料为16MnⅢ,设计工况下的设计应力强度为Sm=163MPa。
从偏安全考虑,取路径2~4上的许用应力强度为接管的设计应力强度,即取Sm=163MPa,评定结果列于表7。
表7路径2~4的应力强度评定结果
整体模型上应力强度/MPa
设计应力强度的许用极限/MPa
PL
4.4794
5.1067
14.738
1.5KSm
244.5
PL+Pb+Q
7.0924
11.624
123.01
3Sm
489
(3)路径5的应力强度评定结果
评定结果列于表8。
表8路径5、11的应力强度评定结果
整体模型上应力强度/MPa
62.178
(4)路径6的应力强度评定结果
两种设计应力强度相同,取路径6上的许用应力强度为封头的设计应力强度,即取Sm=196MPa,评定结果列于表9。
表9路径6的应力强度评定结果
路径6
40.159
294
合格
42.691
588
(5)路径7~8的应力强度评定结果
接管的材料为16MnⅢ,设计工况下的设计应力强度为Sm=163MPa。
评定结果列于表10。
表10路径7~8的应力强度评定结
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